Industrie 4.0 hat begonnen

Dabei geht es um höhere Produktivität, Geschwindigkeit und Flexibilität; gleichzeitig wünschen sich die Verbraucher zunehmend individualisierte Produkte – Stichwort Losgröße 1. Das alles verlangt nach einer möglichst flexiblen Fertigung mit vernetzten Produktionsabläufen, in der Maschinen, Anlagen und Werkstücke Daten und Informationen in Echtzeit austauschen. „Die deutsche Hightech-Initiative ‚Industrie 4.0‘ gibt auf diese Herausforderungen genau die richtigen Antworten, an deren technischer Umsetzung in den nächsten Jahren gearbeitet werden muss“, ist Siemens-Manager Professor Dieter Wegener überzeugt. Dass es sich bei Industrie 4.0 um eine Revolution handelt glaubt der Technologieexperte allerdings nicht: „Es handelt sich um eine Vision für die Industrie im Jahr 2030 und sie wird sich evolutionär entwickeln.“ Unternehmen aus Deutschland geben laut Wegener dabei den Ton an. Mit dieser Einschätzung steht er nicht allein. Eine Studie des Verbands der Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik (VDE), kommt ebenfalls zu dem Ergebnis, dass Deutschland eine führende Stellung bei der intelligenten Produktionstechnologie einnimmt. Allerdings lässt nach Meinung der Befragten Industrie 4.0 vorerst auf sich warten; acht von zehn Unternehmen und Hochschulen glauben zwar, dass diese kommen wird, allerdings nicht vor 2025. Das Beratungsunternehmen Price Waterhouse Coopers (PwC) ist da skeptischer. Einer Studie der Marktforscher zufolge hinkt Deutschland bei Industrie 4.0 hinterher. Zwar plane jedes zweite Unternehmen die Vernetzung der Produktion, aber nur ein Fünftel verfügt bereits über eine so genannte Smart Factory. Nur in Großunternehmen sei das Konzept der voll vernetzten Produktion bereits etabliert.

Diese Ergebnisse zeigen, noch ist das Thema nicht in der Praxis angekommen. Wenn man mit Anwendern spricht, haben die Unternehmen oft andere Sorgen als Industrie 4.0, etwa Energieeffizienz oder Kosten. Zudem gilt es einige Hindernisse zu überwinden: Die größten Bremsklötze sind momentan IT-Sicherheitsprobleme, fehlende Normen und Standards sowie der hohe Qualifizierungsbedarf. Ein weiterer Grund für die Zögerlichkeit vieler kleiner und mittlerer Fertigungsunternehmen ist, dass das Thema bisher hauptsächlich von IT-Experten vorangetrieben wird, die Maschinenhersteller spielen eher noch eine Nebenrolle. Dagegen ist die deutsche Automatisierungsbranche diesbezüglich sehr aktiv. Branchengrößen wie Bosch Rexroth, Siemens, Pilz oder Festo arbeiten mit Hochdruck an entsprechenden praxistauglichen Lösungen.

Brückenschlag zwischen Automatisierung und IT

So hat beispielsweise Bosch Rexroth mit seiner neuen Schnittstellen-Technologie im Rahmen von Open Core Engineering die Brücke zwischen Automatisierung und IT-Welt geschlagen. „Mit Open Core Engineering – dem kompletten Engineering-Angebot für intelligente Automatisierungsprodukte – verbinden wir die bislang getrennten Welten von SPS-Automatisierung und IT in einer durchgängigen Lösung“, verdeutlicht Norbert Sasse, Leiter Vertriebliches Produktmanagement Motion Logic-Systeme bei Bosch Rexroth. „Es beruht durchgängig auf offenen Standards und umfasst Software-Tools, Funktionspakete sowie die Schnittstellentechnologie Open Core Interface.“ Über diese haben Maschinenherstellern laut Sasse erweiterten Zugriff auf den vollständigen Funktionsvorrat von Rexroth-Steuerungen und Antrieben. So können sie zum einen individuelle Softwarefunktionen selbst umsetzen und zum anderen neue IT-Technologien leichter an Maschinen anbinden oder in Maschinen integrieren.

Auch der Automatisierungsspezialist Festo ist in Sachen Integrated Automation aktiv. Basis dafür ist die Automatisierungsplattform CPX. Schon heute integriert die Plattform alle gängigen Bussysteme und das Industrial Ethernet. Die Schwaben gehen damit einen großen Schritt in Richtung integrierte Industrie; denn eine Voraussetzung, um die Vernetzung aller Systeme zu erreichen, ist es, das heutige Chaos der unzähligen Bussysteme zu beenden. Für Industrie 4.0 wird nach Meinung der Experten ein einziges standardisiertes echtzeitfähiges Internet-Protokoll basierend auf WLAN oder Ethernet benötigt.

Neben einheitlicher Kommunikation stellt die integrierte Fertigung aber auch besondere Herausforderungen an die Modularisierung und Verteilung von Steuerungsfunktionen. „Mit zentralistisch ausgelegten SPS-Steuerungen lassen sich die Vorteile einer Modularisierung nicht ausschöpfen“, weiß Pilz-Chefin Susanne Kunschert. „Änderungen in einzelnen Anlagenteilen verursachen einen hohen Aufwand auf der Steuerungsebene, da Programmstrukturen an zentralen Stellen der Steuerung verändert werden müssen“, so die geschäftsführende Gesellschafterin weiter. Klassische zentrale Automatisierungsarchitekturen mit monolithischen SPS-Steuerungen würden bezüglich Flexibilität und Anwenderfreundlichkeit den Anforderungen nicht mehr gerecht. Die Antwort des Familienunternehmens auf diese Herausforderungen heißt PSS 4000. Dieses Automatisierungssystem ermöglicht es, den mechatronischen Ansatz auch auf die Steuerungsebene zu übertragen, was für Kunschert „einen wichtigen Schritt in Richtung Industrie 4.0. darstellt“. Und der modulare Aufbau einer Anlage lasse sich in der dazugehörigen Software PAS4000 abbilden. So könne man Anlagen in selbstständig arbeitende Einheiten zerlegen. „Dadurch sinken auch die Aufwände für Engineering, Inbetriebnahme und Wartung deutlich“ nennt Kunschert einen weiteren Vorteil.

Die Entwicklung hin zu Modularisierung und zu weniger Aufwand für das Software-Engineering sieht auch Bosch-Rexroth-Experte Norbert Sasse: „Hersteller setzen zunehmend auf die Modularisierung ihrer Maschinensoftware. Dafür zerlegen sie die Funktionen einer komplexen Maschine in kleinere „Objekte“ mit eindeutigen Schnittstellen und stellen individuelle Anwendungen aus Bibliotheken mit wiederverwendbaren Basis- und Technologiefunktionen zusammen.“ Das erlaube nicht nur ein schnelleres und einfacheres Testen der einzelnen Maschinen- und Softwaremodule, sondern verbessere insgesamt auch deren Softwarequalität – bei weniger Aufwand. Leicht adaptierbare, objektorientierte Softwaremodule ermöglichen es dabei, komplexe Maschinenprozesse effizient und schnell zu implementieren. Durch die eindeutig definierten Datenschnittstellen dieser Module kann die Steuerung die Steuerungsinformationen einfacher verarbeiten und im Automatisierungsnetzwerk zur Verfügung stellen.

Modulare, IT-gestützte Automatisierung in der Produktion ist für Professor Wegener von Siemens bereits heute Realität. Kein Wunder also, dass die Nürnberger schon weiter denken: „Im nächsten Schritt werden wir die Integration und die Optimierung des gesamten Produktentstehungsprozesses realisieren“, ist sich Wegener sicher. Und danach strebe man die Selbstoptimierung von Cyber-Physischen Systemen an. Der globalisierte Markt diktiere die Anforderungen an die produzierende Industrie. „Wer im Rennen bleiben will, muss seine Produkte schnell, günstig sowie kundenorientiert und sogar individualisiert anbieten“, betont er. Eine Beschleunigung und eine Effizienzsteigerung könne man durch die Integration des Produktentwicklungs- und Produktionsprozesses erreichen. Die Zielvorgabe sei es, durch eine digitale Plattform für die Integration des Produktentwicklungs- und Produktionsprozesses schneller von der Idee zur Produktion zu kommen. „Und dass dies nicht nur schöne Worte sind, kann man bei den Siemens Elektronikwerken in Amberg und im chinesischen Chengdu sehen, die zu den ersten Anwendern einer durchgängigen digitalen Plattform gehören“ so der Technologiechef weiter. Mithilfe der Digital Enterprise Platform der Nürnberger baue man die optimale Integration der realen und der virtuellen Welt auf. Denn auf Basis dieser Plattform und mit leistungsfähigen Design- und Simulations-Programmen gehe auf dem Weg von der Idee zum Start der Produktion keine Zeit mehr verloren; die Entwicklung realer Prototypen sei in vielen Fällen hinfällig geworden. „Seit 2007 haben wir über 4 Milliarden Euro in Softwareunternehmen investiert, um die Wertschöpfungskette virtuell abbilden zu können“, sagt Wegener. Das Ziel: ein digitales Abbild virtueller Produkte, welches immer aktuell gehalten ist und über den gesamten Lebenszyklus erweitert wird. Die zukünftige Produktion ist für ihn somit eine modulare, vernetzte und intelligente Fertigungseinrichtung, in der die Produktionsschritte auf Basis der aktuellen Situation und automatisch ausgehandelt werden.

Daneben werden aber auch andere Faktoren die Fertigung der Zukunft bestimmen. „Cloud-Computing, zunehmende Vernetzung und die Ideen der Cyber Physical Production Systems werden die Landschaft der Automation grundlegend verändern. Sie sind die Voraussetzungen für den nächsten Schritt in der industriellen Produktion – und damit für die Idee der Industrie 4.0“, sagt Dr. Kurt D. Bettenhausen, Vorsitzender der VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik. Durch das Speichern und das Zugreifen auf Produktions- und Produktdaten über cloudbasierte Architekturen stehen Daten auch mobil zur Verfügung.

Zentrale Datenhaltung größter Nutzen der Cloud

Kein Wunder, das viele Experten die zentrale Datenhaltung als größten Nutzen der Cloud ansehen, gefolgt von der Effizienz bei der Nutzung von Speicher- und Rechenkapazitäten. Allerdings: Cloud Computing birgt auch Risiken. Die größten sind die unzureichende IT-Sicherheit und der Umgang mit sensiblen Daten. Die GMA ist hier bereits aktiv geworden: Ihre Richtlinie VDI/VDE 2182 „Informationssicherheit in der industriellen Automation“ beschreibt in sechs Blättern das grundsätzliche Vorgehen zwischen Betreiber, Integrator und Hersteller von Automatisierungskomponenten.

Und es gibt weitere Herausforderungen auf dem Weg zu Industrie 4.0, die die Beteiligten aus IT, Automatisierung und Maschinenbau noch meistern müssen. Dazu gehört unter anderem das bereits erwähnte Thema Sicherheit. Mit zunehmender Vernetzung von Maschinen treffen in Bezug auf das Thema Sicherheit zwei Welten aufeinander: „Die Welt der Automatisierung verschmilzt mit der IT-Welt. Die jeweiligen Sichtweisen auf das Thema Sicherheit unterscheiden sich dabei deutlich“, erklärt Susanne Kunschert von Pilz. Die Herausforderung liege darin, die Anforderungen beider Welten zu praktikablen Lösungen zu standardisieren. Die neuen Schutzziele umfassen den Schutz von Produktionsdaten, Plagiatsschutz, Zugangsschutz und ähnliches. „Durch unsere Mitarbeit in der Promotorengruppe Sicherheit der deutschen Forschungsunion haben wir dazu beigetragen, dass Sicherheit bei Industrie 4.0 als erfolgskritischer Faktor gesehen wird“, betont Kunschert und ergänzt, „wir setzen uns für eine ganzheitliche Betrachtung von Sicherheit mit ihren beiden Formen Safety und Security ein.“ Für Norbert Sasse von Bosch Rexroth ist es ebenfalls wichtig, diese beiden Aspekte von Sicherheit zu unterscheiden. „Safety hat die funktionale Sicherheit von Maschinen und Anlagen zum Inhalt, während Security alle Maßnahmen zusammenfasst, die vermeiden sollen, dass sich Angriffe aus dem Bereich der Office-IT auf die Automatisierung der Produktionsanlagen auswirken“, erläutert der Produktmanager. Dazu zählen integrierte Sicherheitskonzepte, -architekturen und -standards ebenso wie eindeutige und sichere Identitätsnachweise für Produkte, Prozesse und Maschinen.

Hier ist laut Sasse die Zusammenarbeit von Maschinenherstellern, Integratoren und Betreibern gefordert, um ein Optimum an Security für eine Anlage zu erreichen. „Wir sprechen deshalb auch von Industrial Security“, ergänzt er. Da SPS-basierte Steuerungssysteme das Rückgrat moderner, vernetzter Produktionssysteme sind und in absehbarer Zeit bleiben, wird für ihn die Integration von Safety- und Security-Bausteinen in Steuerungskomponenten immer wichtiger. Und Siemens-Technologiechef Wegener hält Security im Sinne der Datensicherheit für ein entscheidendes Thema, damit cyperphysische Systeme in virtuellen Marktplätzen Produktionsaufträge aushandeln und abwickeln können. „Aber Sicherheit wird sich bei Industrie 4.0 – wie auch die anderen Technologien – evolutionär entwickeln und nicht wie heute ein Produkt oder eine Eigenschaft sein, die man von der Stange kaufen kann“, ist er sich sicher. Security müsse man vielmehr parallel mit allen anderen Komponenten weiterentwickeln und implementieren. Wegener: „Ohne die Gewissheit, dass Security von allen Beteiligten als unerlässlich angesehen wird, kann Industrie 4.0 keine breite Akzeptanz erreichen.“

Noch ist nicht alles machbar

Auf dem Weg dahin sind eine Vielzahl neuer Anwendungen, Geschäftsmodelle und Produkte denkbar. Noch ist nicht alles machbar aber bestimmte Anwendungsszenarien zeigen, dass Industrie 4.0 in der Fabrik teilweise bereits Realität ist. Auf der Hannover Messe 2014 zeigt Bosch Rexroth am Beispiel einer Montagelinie, was mittels intelligenter Vernetzung moderner Steuerungssysteme und -komponenten und heute verfügbarer Technologien bereits möglich ist. Die Montagelinie besteht aus intelligenten und autarken Maschinenmodulen, die Produktion wird über einen RFID-Chip auf dem Werkstück gesteuert. Anhand der Informationen der Montagelinie wird der mögliche Einsatz von beispielsweise Energiemanagement, Remote Condition Monitoring oder Smart Devices in der Produktion gezeigt. Der Automatisierungsspezialist will Maschinenherstellern damit Impulse geben, um ihre Maschinen in der Vision Industrie 4.0 weiter zu entwickeln. Ein weiteres Beispiel aus der Praxis: Als Partner der Industrial Connectivity entwickelt Weidmüller einerseits, in einem Projekt mit dem „Fraunhofer-Institut“ ein selbstkorrigierendes Stanz-Biege-Werkzeug für die Produktion. Die Selbstoptimierung sorgt dafür, dass die Stanz-Biege-Maschine auf die Abweichungen reagiert. Werkzeuge passen sich selbstständig an und optimieren so den laufenden Fertigungsprozess.

Die vierte industrielle Revolution hat also begonnen – bereits heute gibt es intelligente, kommunikative, vernetzte und smarte Werkstücke. Und auch Smart Factories gibt es heute schon – wenn auch oft noch im Forschungsumfeld wie die „Energieeffiziente Fabrik für interdisziplinäre Technologie- und Anwendungsforschung“ an der Universität Darmstadt oder die Smart Factory, die das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) zusammen mit 20 Partnern aus Industrie und Forschung aufgebaut hat. Die Pilotanlage zeigt anhand von Seifenflaschen, wie Produkt und Produktionsanlage kommunizieren. Es tut sich also etwas und schon bald könnte für die Industrie ein alter Traum wahr werden: nämlich Losgröße 1 wirtschaftlich herzustellen. Johannes Gillar